消防人员生命体征检测系统设计

汪韬涵，郝 辉，周圩颖，徐智凡，吴有龙

（1.南京师范大学 计算机与电子信息学院，江苏 南京 210023；2.金陵科技学院 智能科学与控制工程学院，江苏 南京 211169；3.金陵科技学院 电子信息工程学院，江苏 南京 211169）

0 引 言

近年我国发生多起重大火灾事故，如2014 年1 月14 日浙江温岭市城北街道杨家渭村台州大东鞋厂的大火、2020 年3 月30 日四川凉山州的森林火灾等，导致众多消防官兵牺牲。在复杂多变的火场环境中有多种不确定因素会危及一线消防人员的生命安全，如何保证消防员的安全，减少消防员的伤亡，在当下迫在眉睫。因此，需要研究基于多传感器的消防人员生命体征检测系统，实时监测消防人员的各项身体指标，以保证消防人员的人身安全[1-3]。

随着国内科技水平的快速提高，人们越来越重视将理论用于实践。2014 年我国地方消防总队将消防设备与快速发展的物联网技术结合，利用RFID、嵌入式、北斗定位以及仿真模拟系统进行设备升级[4-6]。国内中卫莱康科技公司研制了一款心电监护系统，将传感器嵌入穿戴衣物中，实现心电传感器与穿戴衣物的结合设计；此外，还实现了消防员生命体征监测系统，包括消防员可穿戴设备，如智能手环、腰部通信设备以及后台指挥系统[7-9]。国外也有不少此方面的研究，英国SOLO 公司对现有消防装备进行升级，推出SOLOunifit多功能消防头盔及头盔式热像仪等一系列多功能集成消防装备，2018 年美国开发出C-Thru 消防头盔，可以让消防人员在充满浓烟的火场中获得清晰的视野，保证消防人员能迅速地完成营救任务[10]。

为保障消防人员的生命安全，设计并实现一套基于多传感器的消防人员生命体征监测系统，其中包括可穿戴硬件设备、Visual Tools 可视化大屏、后台数据管理系统，可实现有效监控。系统通过STM32 单片机集成外部传感器实时读取消防人员生命体征数据，包括温湿度、心率、血氧饱和度、有害气体浓度和消防员位置信息。通过4G 通信传输给服务器，用MySQL 数据库进行存储并将数据展示到可视化大屏上，达到实时监测消防员的目的。后台管理系统进行数据分析，判断消防员的生命体征状态，如果发生异常，管理员可通过地图页面精确定位消防员的位置并及时进行救援。

1 系统设计

基于多传感器的消防人员生命体征监测系统由消防员、硬件设备、监控系统、管理系统、监测员和管理员组成。系统总体设计如图1 所示。

图1 系统总体设计

系统采用STM32F407 单片机外加DH11 温湿度传感器、MAX30102 心率血氧传感器、有害气体传感器、北斗定位模块和EC20 模块进行数据采集传输。消防员将设备穿戴在身上，采用DH11 温湿度传感器来感知消防员周边环境温度和湿度，通过单总线的方式将数据发送给主控芯片；MAX30102 心率血氧传感器通过I2C 通信方式将消防员的心率血氧数据传给主芯片；有害气体传感器将读取的高低电平信号传送给主控芯片，以此区别是否存在有害气体；北斗定位模块将消防员的经纬度信息通过串口通信方式发送给主控芯片，主控芯片将数据打包成JSON 格式，通过EC20 模块将数据发送到服务器上并由MySQL 数据库存储。

后台管理系统连接数据库对数据进行分析，设备数据页面展示设备全部数据，消防员信息页面展示消防员个人信息及设备ID，预警页面将数据库中的数据取出进行判断，如果数据超出预设阈值则显示异常，消防员位置信息页面通过查询数据库取出经纬度数据，调用百度地图API 定位消防员位置。Visual Tools 可以通过仪表盘、滑动表格和地图组件实时监测消防员的状态。

2 硬件设计

2.1 硬件总体设计

系统通过STM32F4 单片机连接外部传感器实现实时读取相应数据并将数据传输给单片机进行处理和存储；利用该开发板配合外部传感器（温湿度传感器、心率血氧传感器、有害气体传感器、北斗定位模块）可以实现对消防人员生命体征数据进行实时采集。通过北斗定位模块获取消防员的位置信息并上传到后台管理系统用于搜救消防员定位。消防员可将硬件设备穿戴在身上，并为每位消防人员分配唯一设备ID，便于管理员区别每个消防员的生命体征数据和在发生意外时及时营救消防员。

2.2 主控开发板

系统硬件设计采用STM32F407 为主控板，用来接收和处理传感器感知的消防人员生命体征数据。主控板硬件实物和传感器实物分别如图2 和图3 所示。打开主控板开关，指示灯亮起蓝灯时温湿度传感器、心率血氧传感器、有害气体传感器、北斗定位模块和EC20 模块开始初始化；初始化完成后所有传感器开始采集数据，由STM32 主控芯片接收温湿度、心率、血氧、有害气体和经纬度数据，将数据转换为能够被数据库存储的格式，通过EC20 模块传输到服务器，服务器接收数据并存入数据库。

图2 STM32F4 开发板

2.3 温湿度模块

生命体征监测系统选择的温湿度传感器型号为DHT11温湿度传感器。温湿度传感器输出信号以高低电平的方式输出，通信方式兼容单总线方式和I2C 方式，支持温度、湿度同时采集，且体积小、灵敏度高、易集成。在系统中温湿度传感器采用单总线通信方式，其输出的数据包由40 bit 数据组成，数据包括整数部分和小数部分，数据格式为：8 bit 湿度整数部分+8 bit 湿度小数部分+8 bit 温度整数部分+8 bit温度小数部分+8 bit 校验和。

2.4 心率血氧传感器

MAX30102 心率血氧传感器将脉搏血氧检测仪和心率监测模块集成到一起。模块供电电压为1.8 V，集成了光电检测器使其具有环境光反射特性。将其连接到STM32 主控板上，消防员通过穿戴设备将传感器贴合在手腕处即可采集消防员的心率血氧数据，通过I2C通信将数据传送到STM32主控芯片。

2.5 气体传感器

MQ7 一氧化碳传感器的特点是低成本和高灵敏度，集成SnO2模块。SnO2的特点是电导率低，可以利用其这一特点来检测一氧化碳浓度。气体传感器检测一氧化碳浓度的原理为利用高低温循环检测，传感器的电导率取决于空气中一氧化碳的浓度，浓度越高电导率越高。

2.6 无线通信模块

EC20 是一款带分集接收功能的无线通信模块，支持LTE-FDD、DC-HSPA+、EDGE、GPRS 等网络数据连接，供电电压在3.3～4.3 V范围内；FDD：最大上行速率为50 Mb/s，最大下行速率为150 Mb/s；TDD：最大上行速率为35 Mb/s，最大下行速率为130 Mb/s；支持TCP/UDP 等协议。

3 功能阐述

3.1 Visual Tools 监测页面设计

利用Visual Tools 提供的组件设计基于多传感器的消防人员生命体征监测系统的监测页面。消防员执行任务时监测人员通过大屏幕监测消防员生命体征数据，包括温湿度、心率血氧、有害气体和位置信息，利用仪表盘组件和地图组件使数据更客观，滑动表格显示预警信息，仪表盘数据以每2 s 一次实时查询数据库最新数据，保证数据的时效性，达到实时监测的目的。若数据发生异常，则在后端进行判断，然后显示到前端页面。

3.2 后台管理系统设计

基于多传感器的消防人员生命体征监测系统的后台管理系统采用SSM 框架搭建。后台管理系统主页如图4 所示。系统主要包括4 个页面，分别是设备数据、消防员信息、预警信息、消防员位置信息。设备数据页面查询设备全部数据；消防员信息页面显示消防员主要信息；预警信息页面对查询到的数据进行阈值判断，如果出现异常数据则显示某项数据异常，以便监测人员判断消防员是否出现生命危险；消防员位置信息页面利用百度地图查看消防员的具体位置，如图5所示。

图4 后台管理系统主页

图5 位置信息页面

3.3 通信协议

MQTT 协议是以TCP/IP 为基础的消息发布/订阅传输协议，提供有序、无损、双向连接。MQTT 协议实现需要客户端和服务器端，在协议中客户端可作为发布者和订阅者，服务器端作为代理。MQTT 协议数据包格式为固定头、可变头和消息，通信原理如图6 所示。

图6 MQTT 通信原理

4 可视化数据大屏

可视化大屏功能是将设备日常数据以可视化形式在大屏上展示，实现对温湿度、心率血氧、有害气体和位置信息状况等信息进行实时汇总和数据显示。主要采用Visual Tools进行数据大屏开发。其中的组件、数据等资源丰富，代码开源，便于数据大屏的开发。该设计可以将整个网站的数据通过可视化大屏的方式呈现，能够实时地展示消防人员生命体征的变化，方便管理人员能够快速找到需求的数据。Visual Tools监测页面如图7 所示。

图7 Visual Tools 监测页面

5 结 语

本文基于多传感器设计了消防人员生命体征监测系统，整个系统采用的技术主要包括STM32 单片机、传感器技术、4G 通信技术、MQTT 协议、JAVA 开发、北斗定位技术。利用相关技术实现了对消防人员周边环境的温湿度、有害气体浓度和个人心率血氧饱和度以及位置信息的采集。数据通过监测页面显示给监测人员，达到实时监测消防员生命体征的目的。如果发生异常，则通过定位消防员位置及时进行救援，能够提高消防员在执行救援任务时的效率，进一步保证消防员的生命安全。